有機(jī)絕緣子沖擊與工頻電壓下的濕污閃對(duì)比研究

周理，古亮

(1.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074;2.重慶理工大學(xué)，重慶 400054)

有機(jī)絕緣子沖擊與工頻電壓下的濕污閃對(duì)比研究

周理1，古亮2

(1.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074;2.重慶理工大學(xué)，重慶 400054)

線(xiàn)路絕緣子除長(zhǎng)期承受工頻高電壓外，還可能隨時(shí)承受脈沖過(guò)電壓。建立了有機(jī)絕緣子污濕閃實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用數(shù)字錄像及圖像處理技術(shù)，記錄并對(duì)比分析了在大氣脈沖電壓和工頻電壓下，硅橡膠復(fù)合絕緣子表面濕污閃過(guò)程中干燥帶的變化以及電弧的分布狀態(tài)，得到了脈沖電壓對(duì)干燥帶和局部電弧的影響規(guī)律。所得結(jié)論對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)硅橡膠復(fù)合絕緣子的老化和污閃機(jī)理有一定的參考價(jià)值。

絕緣子;濕閃;干燥帶;電弧

復(fù)合絕緣子由于具有優(yōu)異的憎水性和耐污閃性能，在輸電線(xiàn)路中已得到廣泛應(yīng)用，為電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行做出了重要貢獻(xiàn)。但是復(fù)合絕緣子污閃仍不斷，污閃對(duì)電力系統(tǒng)輸配電可靠性危害極大，往往導(dǎo)致重合閘的失敗和大面積停電，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行［1］。

絕緣表面污閃發(fā)展過(guò)程包含4個(gè)步驟:1)表面形成污穢層;2)污穢層受潮;3)形成干燥帶與局部電弧;4)局部電弧發(fā)展形成閃絡(luò)。Meyer等［2-4］的研究表明，污閃時(shí)強(qiáng)電場(chǎng)作用下的局部放電、冷熱聚變、受潮水解和紫外線(xiàn)高能輻射的長(zhǎng)期作用是導(dǎo)致復(fù)合絕緣子老化的主要原因。局部放電使絕緣子的機(jī)電性能因老化而減退。當(dāng)復(fù)合絕緣子工作在潮濕環(huán)境時(shí)，干燥帶極易放電，產(chǎn)生高能輻射、熱量和活性產(chǎn)物，導(dǎo)致絕緣表面PDMS分子斷鏈和交換、硅氧烷鏈水解和碳?xì)浠衔锞酆?、聚合碳?xì)浠衔锏难趸凸柩跬殒湹慕宦?lián)等老化劣化和表面憎水性喪失，并最終可能引起輸電線(xiàn)路外絕緣的閃絡(luò)事故。因此，研究復(fù)合絕緣子的污閃特性具有重要意義。

Otsubo等［5］進(jìn)行了復(fù)合絕緣子表面鹽霧老化試驗(yàn)，測(cè)量并分析了放電發(fā)射的光譜。試驗(yàn)結(jié)果表明:電暈放電發(fā)射的光譜主要集中在紫外線(xiàn)區(qū)，而干燥帶放電發(fā)射的光譜主要分布在黃色光譜和紅色光譜范圍之間;當(dāng)干燥帶放電發(fā)生時(shí)，伴隨電流脈沖產(chǎn)生的光譜成為連續(xù)性的寬脈沖。Philips等［6］研究了電暈放電、局部放電以及干燥帶放電對(duì)硅橡膠絕緣子表面老化的影響。研究結(jié)果表明:憎水性導(dǎo)致復(fù)合絕緣子表面的水珠都是以分離水珠的形式存在，絕緣子表面局部電場(chǎng)加強(qiáng)，電暈放電活動(dòng)加劇，首先引起絕緣子表面老化，憎水性不斷喪失。一旦表面形成連續(xù)水膜，表面泄漏電流增大，干燥帶逐漸形成。隨后干燥帶放電，放電電弧產(chǎn)生的熱量又引起復(fù)合絕緣子表面老化。

國(guó)內(nèi)目前主要對(duì)干燥帶放電的形成、干燥帶模型、剩余電阻、干燥帶放電的頻率特性以及試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。以上研究沒(méi)有考慮大氣過(guò)電壓與操作等脈沖電壓對(duì)絕緣子表面的閃絡(luò)的影響。有機(jī)絕緣子實(shí)際運(yùn)行期間，一方面受到工頻高電壓的持續(xù)作用，另一方面由于電網(wǎng)分布極廣，長(zhǎng)期受到隨機(jī)大氣過(guò)電壓或操作電壓侵襲，故線(xiàn)路絕緣子往往還受到脈沖過(guò)電壓分量的作用。脈沖過(guò)電壓在有機(jī)絕緣子表面濕污閃引起的老化過(guò)程中的作用尚不清楚。研究脈沖過(guò)電壓對(duì)干燥帶的形成、干區(qū)局部電弧的影響等在復(fù)合絕緣子防老化和防污閃方面有非常重要的作用。

本文建立了有機(jī)絕緣子污濕閃實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用數(shù)字錄像及圖像處理技術(shù)，記錄并分析了在大氣脈沖電壓和工頻電壓下硅橡膠復(fù)合絕緣子表面濕污閃過(guò)程中干燥帶以及局部電弧的分布狀態(tài)及變化，得到了干燥帶發(fā)展及局部電弧的分布特點(diǎn)。所得結(jié)論對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)硅橡膠復(fù)合絕緣子的老化和污閃機(jī)理有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。其中，硅橡膠絕緣子片來(lái)源于重慶某輸電公司輸電線(xiàn)路，絕緣子已運(yùn)行7年，傘裙表面具有一定的憎水性。Ui是實(shí)驗(yàn)電源，當(dāng)電源為工頻高壓時(shí)，硅橡膠表面的電弧為工頻電弧;當(dāng)電源為脈沖高壓時(shí)，硅橡膠表面的電弧為脈沖電弧。保護(hù)電阻R=100;電極為鋼質(zhì)圓弧電極，曲率半徑為7 mm;硅橡膠表面向上并與地面平行;數(shù)字相機(jī)記錄電弧、水帶或干燥帶的演變過(guò)程，以便進(jìn)一步處理分析。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)將有機(jī)絕緣子的傘裙切下，清水洗凈晾干。傘裙上表面用極細(xì)砂紙打磨，模擬喪失憎水性的絕緣表面。下半部分未進(jìn)行打磨，憎水性保持較好。

2)電極上分別施加工頻試驗(yàn)高壓和1.2/50 μs脈沖試驗(yàn)高壓15 kV。

3)啟動(dòng)攝像機(jī)，記錄工頻高壓和脈沖高壓下的沿面電弧以及水帶或干燥帶的狀態(tài)變化。

4)對(duì)試樣表面快速?lài)姙⒌V泉水，模擬其表面污穢濕潤(rùn)狀態(tài)。

5)重復(fù)以上步驟，觀察趨勢(shì)。

6)圖像處理。對(duì)記錄的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行Matlab軟件編程，以幀為單位，截取錄像數(shù)據(jù)并計(jì)算沿面電弧以及水帶或干燥帶的分布演變特征。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.11 .2/50 μs脈沖高壓下放電和干燥帶的特征

當(dāng)未噴水時(shí)，兩電極間不出現(xiàn)閃絡(luò)電弧;噴大量水時(shí)，兩電極之間絕緣被水膜覆蓋，電極間立即產(chǎn)生閃絡(luò)電弧，電弧明亮，持續(xù)時(shí)間短，如圖3所示。用Maltab程序中的圖像處理技術(shù)計(jì)算電弧通道的縱向亮度分布，如圖4所示:電弧沿通道方向?qū)挾群土炼确植驾^均勻。以上放電過(guò)程一直持續(xù)到干區(qū)開(kāi)始形成。但干區(qū)在后續(xù)脈沖電弧放電時(shí)很可能會(huì)由于放電而被水帶取代。

圖2 有機(jī)絕緣子表面

圖3 表面脈沖濕污閃典型電弧

多次電弧后，干燥帶變寬、水帶變窄。由于干燥帶寬度較寬，放電頻率下降，故很可能會(huì)停止幾個(gè)脈沖周期再放電。在放電停止的前幾個(gè)脈沖周期內(nèi)，絕緣表面憎水性較差，部分電極的根部會(huì)向?qū)Ψ诫姌O噴射少量水，使其水帶顯著變長(zhǎng)，而干燥帶寬度縮短。隨后，絕緣表面憎水性較好部分電極的根部也同樣向?qū)Ψ诫姌O噴射少量水，使其水帶明顯變長(zhǎng)，縮短干燥帶寬度。如圖5所示:絕緣表面憎水性較好部分的上電極的根部水帶以片狀存在，而絕緣表面憎水性較差部分的下電極根部水帶以滴狀存在。另外，絕緣表面憎水性差的部分的水帶長(zhǎng)度要比憎水性好的部分的水帶長(zhǎng)度長(zhǎng)。當(dāng)剩余干燥帶寬度減小到一定值時(shí)，局部脈沖放電再次產(chǎn)生。

圖5 表面脈沖濕污閃后干燥帶典型變窄趨勢(shì)(上電極根部水帶呈片狀，下電極根部水帶呈滴狀)

3.2 工頻高壓下放電和干燥帶的特征

當(dāng)沒(méi)有噴水時(shí)，兩電極間不出現(xiàn)閃絡(luò)電弧;噴大量水時(shí)，電極間立即產(chǎn)生閃絡(luò)電弧，電弧明亮，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。如圖6所示:電弧顏色呈淡黃色或金黃色，電弧持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、電弧漂浮，這與參考文獻(xiàn)描述一致。閃絡(luò)電弧通道沿通道方向亮度分布不均勻，即電弧處處直徑相差較大，如圖7所示。

由于電弧出現(xiàn)后，其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，電弧亮度極大，范圍廣，故水帶的寬度變化不便于觀察。多次電弧后，干燥帶首先出現(xiàn)在絕緣表面憎水性差的下部分，如圖8所示。在圖8中，干區(qū)形成初期，干區(qū)電弧在兩電極連中心接線(xiàn)附近出現(xiàn)，水帶沒(méi)有被明顯拉長(zhǎng);隨后，干區(qū)向左右兩邊及上方不斷擴(kuò)展變寬，水帶不斷變窄，局部電弧變?nèi)?。此時(shí)可以觀察到在放電點(diǎn)處，水帶有時(shí)被放電產(chǎn)生的高壓氣體推開(kāi)變短，而在其他部位放電時(shí)，縮短的水帶會(huì)再次恢復(fù)長(zhǎng)度。但水帶的這些變化都不明顯。最后，由于干區(qū)寬度太寬，閃絡(luò)最終停止。

圖7 表面工頻閃絡(luò)電弧通道與其亮度分布

4 討論

交流與脈沖過(guò)電壓對(duì)復(fù)合絕緣子沿面放電各有其特點(diǎn)，表現(xiàn)在電弧通道的均勻程度、污穢水帶的縮短與變寬行為等方面。

已有的相關(guān)研究結(jié)果表明:干燥帶是污閃產(chǎn)生的原因。當(dāng)絕緣表面污濕時(shí)，絕緣表面的泄漏電流的熱效應(yīng)使表面水分蒸發(fā)，在局部區(qū)域首先形成干燥帶;干燥帶電場(chǎng)強(qiáng)度很大，產(chǎn)生局部放電;最終演變?yōu)殚W絡(luò)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:雖然干燥帶的總體趨勢(shì)是變寬，但在放電過(guò)程中其長(zhǎng)短有可能在某些時(shí)候變窄。推測(cè)影響干燥帶變窄的因素大致包括:表面放電時(shí)電弧頭部的局部高氣壓、絕緣表面的親水性、水膜的表面張力、電極電壓形式等。

絕緣表面親水性和水膜的表面張力促使水帶變寬、干燥帶變窄。表面放電時(shí)電弧頭部出現(xiàn)的局部高氣壓使得水膜受到推斥，在表面張力的傳遞下，電弧頭部以外的水帶變寬而干燥帶變窄。

電極電壓形式是重要的影響因素。水分子是強(qiáng)極性分子，容易極化;工頻交流電壓的頻率低，極性效應(yīng)不明顯，水帶不易拉長(zhǎng);而脈沖電壓的等效頻率高，極化效應(yīng)明顯，水帶容易被拉長(zhǎng)。水帶被拉長(zhǎng)只需要極短的作用時(shí)間，因而干燥帶會(huì)經(jīng)歷形成、變寬、變窄或者消失(水帶被拉長(zhǎng))再變寬的反復(fù)變化的復(fù)雜過(guò)程。

一旦交流閃絡(luò)發(fā)生，電弧持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，電弧等效電阻很小而水膜電阻相對(duì)較大，電弧電流大都從電弧流注中流過(guò)而不從水膜中流過(guò)，且呈漂浮狀。

5 結(jié)論

對(duì)比研究了在工頻和脈沖電壓下有機(jī)絕緣子傘裙表面的濕污閃過(guò)程中，電弧和干燥帶(水帶)分布的變化特點(diǎn)。研究結(jié)果表明:

1)沿面電弧的分布與電壓形式有極大關(guān)系:脈沖濕污閃時(shí)間短，電弧細(xì)小、明亮、無(wú)漂浮狀;工頻濕污閃持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，電弧粗大，有漂浮狀。

2)干燥帶或水帶在脈沖電壓下的寬窄變化比工頻下更復(fù)雜，在干燥整體的變寬過(guò)程中存在局部縮短的情況;在脈沖電場(chǎng)下縮短更明顯，更易導(dǎo)致局部干區(qū)電弧的可能性。

［1］喻華玉.高壓電氣設(shè)備防污閃及帶電清掃技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

［2］El-Hag A H，Member，IEEE.A New Technique to Detect Dry-Band Arcing［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，APRIL 2005，20(2):1202-1203.

［3］關(guān)志成，王紹武，梁曦東.我國(guó)電力系統(tǒng)絕緣子污閃事故及其對(duì)策［J］.高電壓技術(shù)，2000，26(6):37-39.

［4］許和明，曹建.絕緣子污閃事故發(fā)生的原因及防止措施［J］.安徽電力，2005，22(1):19-25.

［5］Otsubo M，Hashiguchi T.Discharge and Emission Spectra on the Surface of Polymer Insulator Materials in salt Fog Aging Test［J］.CEIDP，2001:620-623.

［6］Philips A J，Childs D J，Schneider H M.Aging of Non-Ceramic Insulators due to Corona from Water Drops［J］. IEEE Trans.Power Del，1999，14(3):1081-1089.

(責(zé)任編輯 楊黎麗)

Comparative Study of Organic Insulator Impact and Wet Pollution Flashover under Power-frequency Voltage

ZHOU Li1，GU Liang2
(1.School of Electrical and Electronics Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China;2.Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Line insulators sustain power-frequency high voltage for a long time，as well as pulse overvoltage at any time.This paper established the test platform of organic insulator wet flashover，recorded and analyzed the variation of drying zone and arc distribution in the process of silicone rubber composite insulator surface wet flashover under atmospheric pulse voltage and power-frequency voltage by the digital video and image technology.We obtained the impulse voltage influence rule on drying zone and part electric arc.The results have certain reference value for further understanding of aging and waste silicone rubber composite insulator flashover mechanism.

insulator;wet flash;drying zone;electric arc

TM85

A

1674-8425(2014)08-0081-04

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.017

2014-05-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51107155)

周理，男，主要從事電氣工程高電壓新技術(shù)應(yīng)用方面的研究。

周理，古亮.有機(jī)絕緣子沖擊與工頻電壓下的濕污閃對(duì)比研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014 (8):81-84.

format:ZHOU Li，GU Liang.Comparative Study of Organic Insulator Impact and Wet Pollution Flashover under Power-frequency Voltage［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):81 -84.